数控卧式镗铣床自动换刀机械手的结构设计.docx
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数控卧式镗铣床自动换刀机械手的结构设计
本科毕业论文（设计）
数控卧式镗铣床自动换刀机械手的结构设计
CNChorizontalboringandmillingmachineautomaticallychangeswordrobots
学生姓名：
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指导教师：
审阅教师：
完成日期：
独创性说明
作者郑重声明：
本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
___________日期：
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摘要
随着我国工业生产的飞速发展，自动化程度迅速提高，在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。
工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。
其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
在有机械手换刀的过程中，使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出，与此同时，另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出，然后两者交换位置．完成换刀过程．无机械手换刀时，刀库中刀具存放方向与主轴平行，刀具放在主轴可到达位置换刀时，主轴箱移到刀库换刀位置上方，利用主轴Z向运动将加工用毕刀具插人刀库中要求的空位处，然后刀库中待换刀具转到待命位置．主轴Z向运动将待用刀具从刀库中取出，并将刀具插人主轴。
关键词：
工业机械手；机械制造；自动化
Abstract
Withtherapiddevelopmentofindustrialproduction,rapidlyimprovethedegreeofautomationinthefieldofautomatedproduction,theindustrialrobotaredevelopedinrecentdecades.Industrialmachineryhandsarefromtheindustrialrobotinthebranchout.Itscharacteristicsareavailablethroughavarietyofprogrammingtocompletethetasksexpectedinthestructureandperformanceonbothmachinesandtheirrespectiveadvantages,inparticular,reflectsthepeople'sintelligenceandadaptability.Manipulatoroperationswithaccuracyandvarietyoftheenvironment'sabilitytocompletetheoperation.Manipulatorisapositioncontrolcanbeautomatedandre-programmedtochangethemulti-functionalmachine,whichhasmultipledegreesoffreedomthatcanbeusedtomoveobjectsinordertocompleteindifferentenvironment.
Inamechanicalhandexchangecutlery，thosewillbecompletedusingamechanicalhand,thecutleryoutfromthemainaxis.Atthesametime,anothermechanicalhandtakecutleryfromtoolsstorehouse,andthenthetwoexchangelocations.Thewholeprocessiscompleted。
Ifthemechanicalhandbladedonotjoinintheprocess,cutlerystoragedirectionwiththemainaxisparallel.whencutleryarriveatthelocationwhichthethemainaxiscanreach,themainaxisoftheknifebladeboxtothelocationabove。
Zaxismovementwillbeusedtocompletetheprocessingbycutleryinsertedinthespacerequiredbydepartment,andthenforcutleryknifetobetransferredtothestandbydatabaselocation.Zaxismovementwillreturntoremovethecutleryfromtoolsstorehouseandinsertedintothemainaxis.
Keywords:
industrialrobots;Machinerymanufacturing;automation
一、绪论
（一）机械手的发展现状
能模仿人手和手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。
机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
1.机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
2.在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中
它可以用来组装零部件。
3.可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。
4.可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
5.宇宙及海洋的开发。
6.军事工程及生物医学方面的研究和试验。
随着机械加工业的发展，制造行业对于带有自动换刀系统的高效高性能加工中心的需求量越来越大。
在现有的各种类型的加工中心中，传统结构的自动换刀系统的造价在机床整机造价中总是占着很大比重，这是加工中心价格居高不下、应用不普遍的重要原因。
如果把自动换刀系统的设计制造从现有加工中心的制造模式中分离出来，把它作为加工中心的标准件或附件组织专门化的生产，同时由于该项技术的应用简化了机床主轴结构、采用弹簧夹头和外驱动机械手等关键技术、采用圆柱柄刀具和辅具，这不仅使数控机床工作性能有所提高，而且使得由它配套构成的加工中心的总体造价大幅度下降。
低造价高性能的加工中心将会被中小厂广泛接收，这样必将给自动换刀系统生产厂商和加工中心制造厂商带来巨大的经济效益。
（二）课题的构想与思路
根据自动换刀装置（ATC）的创新设计思想，设计出能同时抓取刀库和主轴上刀具的回转式双臂双手换刀机械手结构。
这种结构的换刀机械手主要应用在卧式加工中心的场合中。
其换刀动作简单可靠，主要依靠液压系统驱动，采用可编程控制系统（PLC）进行控制，具有换刀时间短、运动惯性小等优点。
实现了可以在一次装夹中完成多道工序的加工，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率，减少了零件安装和定位次数，提高了加工精度。
（三）设计的主要内容
1．通过计算选择合适的通用部件。
2．根据工件设计换刀机构。
3．控制部分PLC的设计。
4．电子版图纸绘制。
（四）要解决的计算部分
1．手架运动参数；
2．手指夹持刀柄的直径;
3．缓冲方式;
二、总体方案设计
为了更好地简化数控机床主轴结构，尽可能地减小换刀机构对机床主轴结构优化设计带来的影响，采用弹簧夹头这一理想的刀具夹持元件，在机床主轴的设计上除了轴端制作出与弹簧夹头联结的专用结构外，机床主轴结构完全可以根据其优化要求来确定，从而可最大限度地提高机床主轴的工作性能。
本研究以它巧妙的构思，对换刀机械手、刀具交换装置、刀库结构形式以及驱动机构进行了新的设计，改变了传统的结构模式。
在本项研究中要解决的主要问题有：
（一）位置检测与定位方式
滑块伸缩、手架回转和装、卸手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，由挡块（或活塞与端盖）定位。
手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位。
（二）缓冲方式
滑块伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路减速缓冲。
（三）换刀机械手与驱动装置的研究
换刀机械手的主要任务是完全模拟手的换刀动作，给机床主轴与弹簧夹头提供相对转动实现夹紧、放松刀具的动作。
机械手应具备足够的转矩，该转矩还必须恒定（可调）。
同时还应使机械手具备结构紧凑、占据空间小的特点，以适应不同类型机床的换刀空间。
换刀机械手完全采用PLC控制液压传动，以求最大限度地降低自动换刀系统的成本造价。
（四）刀库结构
要在总结现有数控机床刀库类型、刀架结构、刀库驱动方式的基础上，研制出夹持圆柱形定尺寸柄刀具或辅具的刀库形式、刀架结构和刀具交换装置。
同时包括刀库的驱动、定位机构、刀具编码方式的研究。
（五）智能型控制系统的研究
自动换刀系统采用PLC控制，它通过几条与主控机的联络信号线以及系统内设置的自诊断、自适应功能实现对换刀系统的全自动控制管理。
该项研究包括：
采用高性能弹簧夹头夹持刀具，使用外驱动机械手完成刀具的夹紧、放松，系统配置扩展型链式刀库和刀具交换装置，整机采用电磁机械传动、PLC控制，换刀系统具有夹紧力大、夹紧力恒定（可调）、自动复位以及各种自检保护功能，同时具有占据空间小的特点。
研究的最终目标是，期望能够形成一种结构紧凑、工作稳定可靠、造价低廉、可供不同类型数控机床选型配套的智能型高性能自动换刀系统系列产品。
三、机械结构设计
（一）自动换刀机械手的组成和配置
自动换刀机械手由升降丝杠1、滑座2、横梁3、油马达4、装刀手5、手架6、卸刀手7组成并与刀库8（由四排带刀套的链条组成，每条链条上均有15个刀套）组成自动换刀装置。
图3.1升降机构
（二）自动换刀机械手升降（即手架升降）机构
手架升降由马达、滚珠丝杠、螺旋副间隙调整垫、导向柱、减速齿轮和无触点行程开关等组成。
当接受使手架上升或下降（找刀排）指令后，压力油进到油马达中，油马达带动滚珠丝杠转动，使手架带着装、卸刀手升降。
因刀库有四排刀排，手架可上下移动3*420毫米的距离，当手架上下运动接近所选刀排位置时，其上的悬臂感应块使安装在刀排相应位置的无触点行程开关发信，控制手架升降油路的调速阀作用使手架减速，当到达所选刀排要求准确定位时，装在减速齿轮上的感应块无触点行程开关（12XK或20XK）发信，切断手架升降油路，油马达停止转动，手架即停在所规定的位置上。
滚珠丝杠和螺母间隙，可用修磨调整垫来达到。
导向柱除起导向作用外，并使滚珠丝杠在传动中免受弯曲力距的作用，使手架升降运动平稳可靠。
（三）自动换刀机械手的滑座伸缩和手架回转运动机构
图3.3滑块旋转
机械手由滑座1、活塞杆2、转柱3、回转油缸4、滚珠组5（滚柱按十字交叉位置放置）、预紧螺钉6、定位螺钉7、定位块8和V形导轨9组成。
滑座伸缩：
当有关13、14分别想滑座1上的油缸两腔同压力油时，驱动滑座（因活塞杆2固定在横梁上）使滑座在十字交叉放置的滚柱和V形滚动导轨9上往复运动，高压注意呼吁带动手架来完成拨、插刀运动。
亲行程位置的检测由安装在横梁上的行程开关完成。
在活塞杆2上的活塞两端加工成圆锥形，配合油缸端部其节流缓冲作用。
图3.4滑块伸缩
手架回转：
当油管15、16分别通压力油回转到油缸4的两腔时，推动动片连同转轴一起转动，通过平键使转柱3和手架回转。
其回转角度的检测由行程开关发信，并用定位螺钉7和定位块8来定位。
该手架在图示位置剖面为手架转向主轴时的位置。
回转油缸的端盖进出油口分别有3对（即a、b、c和a’b’c’）,当接到手架转向刀库指令后，三位四通电磁滑阀换向，油管16进压力油，从油孔c’进到回转油缸工作腔使动片启动一定角度后，动片将油孔c’打开进油，快速回转，回有腔油液从a、b孔排出，动片将油孔出a’打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，待将a打开进油，快速回转，回油腔油液从a、b孔排出，动片回转速度降下来以达到减速缓冲。
减速度的大小可通向回转油缸端盖上的调节螺钉进行调节。
图3.5装、卸刀手手臂和手部结构
（四）装、卸刀手手臂和手部结构
装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸完全相同，只是几个主要零件形状相反，故此处只介绍卸刀手结构和动作原理，卸刀手手臂伸缩运动机构由手架1、手臂油缸2、手指座3和活塞杆17等组成，如图3.3所示。
活塞杆17一端固定在手架上，当压力油从油孔9和10分别进到油缸2的两腔时，推动油缸2的缸体在燕尾形导轨上往复运动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，采用油缸端部锥面节流缓冲，端盖和活塞端面相碰定位。
装刀手和卸刀手手臂移动导轨的方向相交成45度角，其交点即是装刀手、卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心。
卸刀手手部由手指座3、刀具定向键4、固定手指5、顶销6、卡销8、弹簧9、10、活动手指12、挡块14、和销轴15等组成。
它属于弹簧夹持式手部，手指分为固定指和活动指，并属于一支点回转型手指。
在手部伸出抓刀时，活动指应能自由张开，抓住刀后，特别是在运刀过程中活动指应夹紧并锁住，因此手指内有自锁机构。
在镗铣床主轴套筒的端面和滑座悬伸支架上均设有使手指松开的导板，刀具在手指中不允许有转动，以免刀柄的键槽错位，故在固定手指上装有定位键4。
卸刀时，卸刀手手臂前伸，当卡销8碰到挡块14的a面时，使卡销缩回；碰b面顶销6可自由运动，手指碰上刀柄便能自动张开插入梯形槽中；当碰到c面时，卡销被弹簧9弹出，锁紧活动指12，将刀柄抓牢，以后进行拔刀等动作。
如装刀完毕，使卡销8被挡块13的b’面压入，顶销6能自由活动，手臂油缸2缩回时，手指就从刀柄的梯形槽中自由滑脱，当卡销8移到挡块13的a’面时，弹簧9将卡销弹出将活动指锁住。
四、液压系统设计
图4.1自动换刀机械手液压系统
自动换刀机械手液压如图所示，采用双联叶片泵供油，它具有功率损失小，油箱的温升小，泵的寿命高，成本低等优点。
双联叶片泵的工作是用溢流阀、卸荷阀、单向阀三个阀联合控制。
泵起动后两个泵的输出油分别进入它们的管道，小泵的输出油经过过滤器后进入溢流阀，大泵的输出油进入卸荷阀，但此时电磁铁15DT不通电，管道通过电液滑阀（24DT-B20H）、单向阀和油箱相通，管路中压力很低，溢流阀和卸荷阀都关闭。
在装、卸刀手手臂伸缩或滑座伸缩或手架回转等单独运动时，各油缸所需油液流量小，由高压小流量油泵供油，管路内油压上升到溢流阀所确定的压力，由于卸荷阀的压力调得比溢流阀的压力低5公斤力/厘米3，卸荷阀被打开，单向阀被溢流阀的油压锁住，大泵的输出油通过卸荷阀流经冷却器回到油箱。
当手架快速升降时，由于小泵的流量不够，使系统压力下降，卸荷阀关闭，大泵的输出油推开单向阀和泵的输出油一起进入系统，保证了手架的快速升降运动。
二位四通电液滑阀（24DY-B20H）起开关作用，当电磁铁15DT通电时，系统处于等待工作的状态。
在手架升降支路系统装有缓冲阀。
当手架升降运动由快速转换成慢速时，由于其惯性在回油路内引起很高的冲击压力，高压油液经单向阀和溢流阀流回油箱，以缓和油液压力的波动，使手架由快速平滑地变换到慢速。
缓冲阀处的溢流阀的调定压力应比系统工作压力高30%左右。
对接机械手液压系统的原理图如图4.1所示，机械手的液压系统支路原理基本相同，在这里以一条支路的液压系统为例进行分析。
在图4.1中，机械手摆动油缸和伸缩油缸的换向阀分别为电磁阀9和10，具有“Y型”中位机能。
由于四条油路相同，以机械手单手为例。
以伸缩臂为例时换向阀的电磁铁13DT通电时，油缸的油路与比例阀接通，控制比例阀的比例电磁铁13DT可以实现油缸活塞的位置控制，系统工作在位置伺服状态，主动完成机械手的伸长和缩短。
以摆动油缸为例时，当11DT通电时，电磁阀11为通路，油缸控制阀具有“H型”中位机能；当11DT断电时，将电磁阀11的供油回路封住，油缸将被锁住不动，换刀机械手手臂动作与电磁铁通断电情况如表4.1所示。
表4.1自动换刀机械手动作与电磁铁通断电情况表
动作名称
6DT
7DT
8DT
9DT
10DT
11DT
12DT
13DT
14DT
15DT
手架上升（找刀排）
+
-
-
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-
+
手架上升减速
+
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+
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手架上升缓冲定位
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-
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手架下降（找刀排）
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+
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-
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手架下降减速
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手架下降缓冲定位
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滑座伸出（拔刀）
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滑座缩回（插刀）
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-
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手架转向刀库
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手架转向主轴
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装刀手手臂伸出
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装刀手手臂缩回
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卸刀手手臂伸出
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+
卸刀手手臂缩回
-
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+
卸荷，系统停止工作
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五、PLC控系统设计
（一）PLC的介绍
可编程控制器（PROGRAMMABLECONTROLLER，简称PC）。
与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。
用户程序由用户按控制要求设计。
（二）PLC的结构及基本配置
一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。
但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。
对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。
无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。
PLC的基本结构框图如下：
1.CPU的构成
1.PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，
图5.1CPU基本结构框图
它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路，与通用计算机一样，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。
它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
但工作节奏由震荡信号控制。
CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。
CPU的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU虽然划分为以上几个部分，但PLC中的CPU芯片实际上就是微处理器，由于电路的高度集成，对CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在PLC中的功能与性能，能正确地使用它就够了。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制开关。
一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。
箱体式PLC的主箱
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